Для порівняння:

• 0,3 мЗв - середньорічна доза опромінення, яка обумовлена космічним випромінюванням на рівнинній території України;

• 0,6 - 0,8 мЗв - середньорічна доза опромінення, яка обумовлена космічним випромінюванням для людей, які мешкають в гірській місцевості;

• 1,6 мЗв - середньорічна доза, яку отримує екіпаж цивільних літаків від космічного випромінювання;

• 1 мЗв - одне медичне обстеження грудної клітини з використанням наявного флюорографічного обладнання;

• 3,0 мЗв - середньорічна доза, яку отримує населення від усіх джерел природного радіоактивного опромінення;

• 20 мЗв – ліміт ефективної дози опромінення для фахівців, що працюють з джерелами іонізуючих випромінювань в Україні.

Але щоб досягнути того рівня знань і досвіду, що потрібні для корисного застосування джерел іонізуючого випромінювання, людство пройшло довгий і тернистий шлях. Перші наукові дані про можливі негативні наслідки від впливу радіації були отримані в 1896 році і зв’язані з використанням рентгенівських променів. Дослідники відмічали, що в результаті опромінення можуть виникнути ураження шкіри (еритеми, епідерміти), випадіння волосся. В 1902 році був описаний перший випадок променевого раку шкіри.

Сам Бекерель, який відкрив явище радіоактивності, постраждав від нових промінів, які по властивостях багато в чому схожі з рентгенівським. У нього виникла виразка на шкірі під кишенею жилетки, в якій він носив на протязі 6 годин пробірку з радієм, взяту у П’єра Кюрі перед демонстрацією на фізико-технічному товаристві.

В Паризькій академії наук П?єр Кюрі у повідомленні детально виклав спостереження за реакцією шкіри на випромінювання радію. Марія Кюрі, що вперше виділила у чистому вигляді радій та полоній і вивчала властивості невідомого випромінювання, як і її донька Ірен, також стала  жертвою “підступної" радіації (вони вмерли від гострого лейкозу внаслідок опромінення).

З 1903 року один із засновників радіобіології Є.С.Лондон на Петербурзькому медичному товаристві показав вплив променів радію на тварин. При цьому руйнувалась мозкова тканина і тварини гинули, а на їх шкірі утворювались опіки та виразки. Учень Лондона С.В.Гольдберг  загинув в 1940 році від раку шкіри, котрий виник у нього на місці променевих опіків. У 1936 році в Гамбурзі був зведений монумент, на якому зазначені імена 110 вчених, які стали жертвами перших досліджень властивостей радіоактивних променів.

68. Характеристика α, β , γ та ренгенівського випромінювання

Рентгенівське випромінювання – це електромагнітні хвилі з довжиною хвилі від 80 нм до  нм і займає спектральну область між гамма і ультрафіолетовим випромінюванням. У медицині для рентгенодіагностики і рентгенотерапії застосовують рентгенівське випромінювання з довжиною хвиль від 10 нм до  нм.

Вперше про відкриття Х променів, які виникали при співударі швидких електронів з речовиною (названих Х променями) було повідомлено у листопаді 1895 р. німецьким фізиком Вільямом Рентгеном.

Задовго до перших досліджень Рентгена Х промені відкрив український фізик світового рівня, родом з Тернопільщини Іван Пулюй (1845-1918 р.). Народився Іван у містечку Гримайлові. Після завершення навчання у Тернопільській гімназії закінчив теологічний і філософські факультети Віденського університету, а у 1877 році в Страсбурзі захистивши дисертацію з фізики здобув науковий ступень доктора натуральної філософії. У 1884 році Міністерство освіти Австрії призначає І.Пулюя професором експериментальної і технічної фізики Німецької вищої технічної школи у Празі, а через п’ять років його обирають ректором цього ж навчального закладу.

За видатні наукові і педагогічні досягнення з фізики та електротехніки в 1906 році І.Пулюй був нагороджений орденом Залізної корони, в 1910 році отримав титул радника цісарського двору.

Важко переоцінити роль І.Пулюя у дослідженні Х променів. Ще на початку 1895 року І.Пулюй спостерігав дію невидимих променів, проте не поспішав повідомляти про них науковий світ. Після попереднього повідомлення про відкриття нового виду променів, яке Рентген зробив 28 грудня 1895 року, І.Пулюй 13 лютого і 5 березня 1896 року опублікував дві статті про виникнення та фотографічну дію Х променів, і лише 9 березня 1896 року та у травні 1897 року з’являються статті Рентгена, присвячені результатам досліджень властивостей Х променів. Крім того І.Пулюй належить першість у відкритті іонізаційної здатності Х променів, у дослідженні їх просторового розподілу та поясненні механізму виникнення.

Рис. 1

Рентгенівські (Х промені) виникають у трубках Пулюя – скляних балонах, з яких викачено повітря до тиску  і в які впаяні катод і анод (рис. 1). Останній зроблений з тугоплавкого металу. Спіраль катода розігрівається електричним струмом від джерел розжарювання  і випромінює електрони, які прискорюючись електричним полем бомбардують анод, у результаті чого виникає Х випромінювання.

Рис.2

Інтенсивність Х випромінювання  пропорціональна квадратові напруги між анодом і катодом, атомному номеру речовини анода і силі струму:

,

(1)

де  - коефіцієнт пропорціональності.

            Гальмівне рентгенівське випромінювання.

         Розглянемо одержання рентгенівського випромінювання  за допомогою рентгенівської трубки.Рентгенівська трубка складається з 3-х основних частин:

1)     скляного або металевого балона, з якого викачано повітря до тиску 10^-7 мм.рт.ст.;

2)     катода, який є джерелом електронів (К);

3)     анода (А), котрий часто називають антикатодом. Поверхня анода зрізана під кутом 45⁰ до горизонтальної осі для того, щоб направити рентгенівське випромінювання під кутом до осі трубки.

Анод виготовляється із матеріалу із високою теплопровідністю для відведення теплоти, яка утворюється при співударі електронів з поверхнею анода. Поверхня анода покривається тугоплавким матеріалом з великим порядковим номером атома в таблиці Мендєлєєва. В окремих випадках анод охолоджується водою або маслом.

Між анодом і катодом прикладається висока напруга для створення електричного поля, яке надає електрону кінетичної енергії, величина якої рівна:

 

EK=e·U

(2)

Електрон, який летить від катода до анода в трубці, є джерелом магнітного поля, індукція якого зростає в міру збільшення швидкості електронів. Коли електрон досягає поверхні аноду, він різко гальмується, при цьому, згідно теорії Максвелла, виникає електромагнітний імпульс, який можна представити як сукупність електромагнітних хвиль, довжини яких утворюють неперервний ряд величин. Більша частина електронів (96-98 %) втрачає свою енергію поступово в результаті багатьох співударів, і ця енергія переходить в тепло. Біля 2-4 % електронів втрачають свою енергію повністю в результаті одинарних зіткнень з атомами анода, і ця енергія переходить в електромагнітне випромінювання.

         Нехай вся кінетична енергія електрона перетворюється в енергію фотона, тобто:

,  ,   тоді,    звідки

(3)

Враховуючи значення постійної Планка, швидкості світла і заряду електрона в системі СІ, одержуємо:

(4)

Де _min – мінімальна довжина рентгенівського випромінювання при даному U.

Спектр гальмівного рентгенівського випромінювання є суцільним і залежить від прикладеної напруги між катодом і анодом (рис.2). На рисунку представлені залежності потоку рентгенівського випромінювання від довжини хвилі  (спектр випромінювання ) при різних напругах в рентгенівській трубці U₁< U₂< U₃ . В кожному із спектрів  _min визначається по формулі 4.

Величина потоку енергії Ф рентгенівського випромінювання визначається напругою U між катодом і анодом, силою струму в трубці, тобто кількістю електронів, які приймають участь в утворені рентгенівського випромінювання, порядковим номером Z атома речовини аноду, на якому відбувається гальмування:

(5)

де К – коефіцієнт пропорційності, що дорівнює 10^-9 Вт/В²А.

Отже, загальний потік (потужність) випромінювання розподіл енергії за довжинами хвиль залежить в основному від U, I, Z. Короткохвильове рентгенівське випромінювання характеризується більшою проникною здатністю і називається жорстким, а довгохвильове м’ягким.

Потужність випромінювання регулюється за допомогою сили анодного струму в трубці, якщо потрібно залишити те саме випромінювання за жорсткістю. Жорсткість рентгенівського випромінювання регулюється зміною високої напруги між анодом і катодом.

         Проаналізуємо криві, зображені на рис.2, на його основі можна зробити наступні висновки:

1) чим більша напруга U, тим сильніше виражений мах кривої, а сама крива зсувається в область коротких хвиль, хвилі стають більш жорсткими. Розрізняють жорстке і м’яке випромінювання. Жорстке випромінювання – це випромінювання з довжиною хвилінм і м’ягке з довжиною хвилі          0,01нм.

2) Довжина рентгенівської хвилі, на яку припадає максимум енергії випромінювання , зв’язана з мінімальною довжиною рентгенівської хвилі для даної високої напруги U наступною залежністю:

(6)

3) характер суцільного спектру гальмівного рентгенівського випромінювання залежить від матеріалу анода.        

Характеристичне випромінювання.

         При збільшені напруги між катодом і анодом спектр буде зміщуватись в сторону коротких хвиль але якісно змінюватись не буде до певної величини напруги для даної речовини анода. Починаючи з певної величини напруги спектр змінюється. На фоні суцільного спектру з’являється лінійчастий, який відповідає характеристичному рентгенівському випромінюванню. Спектр складається з двох частин: суцільного і лінійчастого. Подальше підвищення напруги приведе до зміщення суцільного спектру в область коротких хвиль і до збільшення інтенсивності як суцільного так і лінійчастого (характеристичного) спектру випромінювання.

Суцільний спектр залежить тільки від енергії електронів (напруги між катодом і анодом) і не залежить від речовини анода, а розміщення ліній лінійчатого спектру характерно тільки для даного матеріалу анода.

Довжини хвиль лінійчастого спектру для кожного елементу аноду постійні і індивідуальні. Це свідчить про те, що характеристичне випромінювання виникає в результаті якихось специфічних процесів, що протікають всередині атома речовини анода. Лінійчастий спектр виникає внаслідок того, що прискорені електрони проникають в глибину атома і вибирають електрони із внутрішніх шарів. На вільні місця переходять електрони з верхніх рівнів, в результаті чого випромінюються фотони рентгенівського променя. Як відомо, електрони в атомі розподіляються на орбіталях, кожна з яких характеризується головним квантовим числом n. Якщо в атомі вибити електрон із К орбіти (або L) за допомогою -частинки чи електронів великої орбіта лі, то атом перейде у збуджений нестійкий стан з більшою енергією. При переході цього атома в нормальний стан електрон із L – орбіти переходить на К – орбіту і випромінює квант енергії. Може перескочити на К – орбіту і електрон із М – орбіти і інших орбіт. Кожний такий перехід супроводжується зменшенням енергії атома і виділенням її у вигляді одного кванта рентгенівського випромінювання. Характеристичне випромінювання складається із серії К, L, M, N, і т.д., у відповідності з назвою шарів з яких здійснюється перехід. Експериментально Мозлі показав, що:

,

(7)

де а і b – сталі величини, v – частота спектральної лінії, Z –атомний номер елемента. Квадратний корінь із частоти відповідних ліній спектра різних атомів знаходиться в лінійній залежності від порядкового номера елемента. Так формується закон Мозлі.

При переходах будь—якого електрона на К – орбіту виникають рентгенівські промені К – серії. При переході на одну із L – орбіт L – серії. Якщо електрон переходить з найближчої орбіти ( з L на  К або з М наL ), то з’являється -лінія відповідної серії, якщо з другої ( з М на К або з N на К ) -лінія.

Характеристичні рентгенівські спектри мають багато спільного з оптичними спектрами, але й багато відмінностей. Оптичні спектри змінюються при переході від одного елемента до іншого за періодичним законом, довжини хвиль рентгенівських спектри залишаються однотипними. Це обумовлено тим, що внутрішні шари у різних атомів одинакові і відрізняються лише енергією електронів, які знаходяться на них, що і відображено в законі Мозлі.

Рентгенівський характеристичний спектр атомів в сполуках і вільному стані однаковий, а оптичний дуже сильно відрізняється. Так наприклад рентгенівський спектр атому кисню однаковий для О, О₂, Н₂ О,Fe₂ О₃. ця особливість рентгенівського спектру послужила основою і для назви характеристичне.

Основні характеристики і властивості рентгенівського випромінювання.

         Рентгенівське випромінювання характеризується такими ж параметрами як і електромагнітне випромінювання, а саме:

1)     інтенсивністю І (або потоком енергії Ф рентгенівського випромінювання);

2)     довжиною хвилі ;

3)     швидкістю v поширення рентгенівських хвиль в різних середовищах:

або

(8)

де ,  - сталі, які характеризують діелектричні і магнітні властивості речовини, с – швидкість світла у вакуумі, n – показник заломлення середовища.

Рентгенівські хвилі мають такі основні властивості:

Рентгенівське випромінювання – це невидиме електромагнітне випромінювання. Рентгенівські промені володіють всіма властивостями електромагнітних хвиль, а саме. Разом з тим для них характерні деякі особливості, які зумовлені малою довжиною хвилі і великою проникною здатністю:

-         відбивання практично відсутнє, можуть дифузно розсіюватись від поверхні, аналогічно як це має місце для світлових хвиль;

-         заломлення дуже мале. Коефіцієнт заломлення n рентгенівських променів при переході повітря – тверде тіло менше одиниці, а для переходу скло-повітря порядку 10^-6, для металів-10^-5, отжеn для рентгенівських променів приблизно дорівнює одиниці;

-         інтерференція рентгенівських променів, які розсіяні електронами атомів кристалічної речовини, має особливі закономірності;

-         дифракція рентгенівських променів. Так як міжатомні відстані в кристалах – величини того ж порядку, що й довжина хвиль рентгенівських променів, кристали для цих променів є трьохмірною дифракційною решіткою. Дифракція рентгенівських променів кристалі описується формулою Вульфа-Брегга:

,

(8)

 де  - міжплощинна відстань;  - довжина рентгенівської хвилі;  - кут ковзання між напрямком рентгенівського променя і поверхнею, на яку падає промінь; k – порядок відбивання

-         розсіювання рентгенівського проміння різними середовищами. Особливістю цього процесу описані в наступному параграфі.

-         поглинання рентгенівських хвиль різними середовищами. Здатність проходити через помітні товщини найрізноманітніших речовин говорить про те, що поглинання досить мале, особливо у жорсткого рентгенівського випромінювання.

Взаємодія рентгенівського випромінювання з речовиною.

         Рентгенівські промені при попаданні на довільне середовище в основному проходять через нього, практично не відбиваються, і при цьому дуже мало заломлюються. В основному рентгенівське випромінювання  поглинається і розсіюється середовищем. Проходячи через речовину, кванти рентгенівського випромінювання взаємодіють з електронами атомів і молекул. При цьому можуть спостерігатися такі процеси.

Когерентне розсіювання.

          При взаємодії кванта рентгенівського з енергією hv з електроном, який дуже міцно зв’язаний з ядром, квант зміцнює тільки напрям свого руху, а частота vрентгенівського кванта залишаються постійними ( рис. 3)

Ф отоелектричний процес.

         Фотоефект виникає в результаті взаємодії кванта рентгенівського випромінювання з електронами внутрішніх орбіт. При цьому енергія кванта повністю передається електрону, який покидає атом. Або молекулу. Очевидно в цьому випадку hv  А_B (А_B – робота виходу електрона) і якщо hv>A_B досить велика, то кінетична енергія електрона достатня для іонізації нових атомів, утворюючи вторинні електрони. Якщо кінетична енергія недостатня для іонізації атома, то буде відбуватися збудження атомів (молекул), які при переході в нормальний стан випромінюють енергію – спостерігається свічення. Збудженні атоми можуть і не випромінювати кванти енергії, а вступати в хімічні реакції з іншими молекулами чи атомами. Фотоефект характерний для енергії фотонів рентгенівського випромінювання 0,5-1 МеВ.. Послаблення інтенсивності рентгенівського випромінювання , яке зумовлене фотоефектом, називається істинним поглинання рентгенівських променів.

К омптон-ефект.

         Це взаємодія фотонів рентгенівського випромінювання різної енергії з електронами, які знаходяться на зовнішній орбітах атома і слабо зв’язані з ядром. При цьому фотон віддає частину своєї енергії електрону, зменшує свою енергію і імпульс, а електрон відповідно збільшує енергію і імпульс. Фотон і електрон змінюють напрям свого руху (рис.4)

Комптон-ефект відбувається при взаємодії квантів рентгенівського випромінювання з електронами, які слабо зв’язані з ядром або вільними електронами. Отже, послаблення інтенсивності рентгенівського випромінювання зв’язане з фотоефектом і Комптон-ефектом.

Експериментальні дані показують, що послаблення інтенсивності рентгенівського випромінювання описується законом Бугера - Ламберта:

(9)

де І – інтенсивність рентгенівських променів, які пройшли через середовище товщиною ; І₀ - інтенсивність рентгенівських променів, які, входять в середовище;  - товщина середовища, яку проходить рентгенівське випромінювання;  - лінійний коефіцієнт послаблення

        

(10)

Де  -- коефіцієнти послаблення викликані некогерентним розсіюванням, фотоефектом і Комптон ефектом. Оскільки дія рентгенівського проміння на речовину і, зокрема, на тканини організму зв’язана з поглинутою частиною випромінювання, то лінійний коефіцієнт зручно представити у вигляді двох коефіцієнтів

(11)

де  - коефіцієнт розсіювання, зумовлений Комптон-ефектом,  -- коефіцієнт істинного поглинання, зумовлений поглинанням при фотоефекті і Комптон-ефекті. Отже, закон Бугера – Ламберта запишемо у вигляді

(12)

Коефіцієнт поглинання  залежить від густини середовища ,довжини хвилі рентгенівського випромінювання  і порядкового атомного номера речовини середовища Z:

(13)

де k – коефіцієнт пропорційності.

Використання рентгенівського випромінювання в медицині

         Рентгенівське випромінювання застосовується для одержання зображень тієї чи іншої частини тіла з моменту, відкриття цих променів.. Особливі властивості і параметри рентгенівського випромінювання  дають можливість використовувати його як в діагностиці так і в лікуванні.

         Центральною ознакою, яка дає можливість використовувати рентгенівське випромінювання в медицині є закон послаблення рентгенівського випромінювання середовищем (тканиною) (формула (13)) Наприклад, ребра можна спостерігати на плівці у вигляді світлої структури, оскільки вони послаблюють рентгенівське випромінювання сильніше, ніж оточуючі їх м’які тканини, так, що в тих місцях фотоплівка одержує меншу експозицію. Відповідно, заповнені повітрям легені виглядають, як більш темні області.

Коефіцієнт лінійного послаблення в повітрі, кістковій і м’язовій тканині, а також в крові приймає, відповідно, наступні значення:

для типового енергетичного рентгенівського спектру.

Звичайні рентгенівські плівки дозволяють візуально легко розрізнити контраст порядку ~2%, так, що ребро, товщиною 1см, або трахея, заповнена повітрям, діаметром 1см, можуть бути візуалізовані. Але кров в кровоносних судинах і інші тонкі структури м’яких тканин – такі, як деталі анатомічної будови серця – не вдається розрізнити за допомогою рентгенівського випромінювання. Це пов’язано з тим, що для одержання чіткого і роздільного зображення однієї тканини на фоні іншої на рентгенівському знімку чи на екрані рентгенівського апарату необхідно, щоб їх оптичні густини відрізнялись не менше, ніж в два рази.

Дійсно, щоб зробити видимими кровоносні судини, в кров необхідно ввести рідину – контрастну речовину, яка містить сполуки йоду. Ці речовини на певний час збільшують лінійний коефіцієнт послаблення рідинного середовища до такої величини, що забезпечує необхідний контраст.

Рентгенодіагностика.

Рентгенодіагностика це одержання зображення того чи іншого органу на фотоплівці або на екрані з допомогою рентгенівських променів і визначення його структури чи анатомічних особливостей. Рентгенодіагностика поділяється на рентгеноскопію, рентгенографію і на рентгенівську комп’ютерну томографію.

Рентгеноскопія – одержання зображення того чи іншого органу на рентгенолюмінісцентному екрані за допомогою рентгенівських променів.

Рентгенографія – одержане зображення фіксується на рентгенівській плівці.

Рентгенівська комп’ютерна томографія – це двомірне зображення тканини на деякій досліджуваній глибині в організмі пацієнта, яка знаходиться в фокусі, в той час як зображення структур в інших площинах накладаються одне на одне і сильно розмиваються. Положення цієї площини визначається положенням пацієнта відносно рентгенівської трубки і тримача касети. Міняючи взаємне розміщення їх, можна одержати шарове зображення органу пацієнта. Класична томографія досягається переміщенням в певній геометрії рентгенівської трубки і тримача касети відносно нерухомого пацієнта. Більш детально метод рентгенівської гомографії буде розглянутий в наступному розділі.

Рентгенографічне зображення формується в результаті взаємодії квантів рентгенівського випромінювання з приймачем і являє собою розподіл квантів, які пройшли через тіло хворого і були зафіксовані детектором. Кванти проникають в тіло пацієнта, в якому вони можуть поглинатись, розділитись або пройти без змін. Кванти діляться на первинні (ті, які пройшли через тіло пацієнта без взаємодії з тканиною тіла) і вторинні, які утворюються в результаті взаємодії з тканинами тіла пацієнта. Вторинні кванти, як правило, відхиляються від напряму свого початкового руху і несуть мало корисної інформації, дають фон, який погіршує контраст зображення. Корисну інформацію несуть первинні кванти. Вони дають зображення, тобто інформацію про ймовірність того, що квант проходить через тіло пацієнта без взаємодії. Імовірність цієї події буде залежати від сукупності послаблень у всіх тканинах, які лежать в напрямі розповсюдження рентгенівських променів.

Компоненти системи для одержання рентгенівських зображень:

В і Е – кванти, які пройшли через тіло пацієнта без взаємодії,

C і Д – розсіяні кванти. Квант Д відсіюється сіткою, яка перешкоджає розсіяному промінню, а квант С поглинається в тілі. Через те, одержане зображення є проекція характеристики послаблення у всіх тканинах, що лежать в напрямі розповсюдження рентгенівського випромінювання, точніше кажучи, це зображення представляє собою двомірну проекцію трьохмірного розподілу послаблення рентгенівських променів в тілі.

Двомірний переріз трьохмірного розподілу густини тканини можна одержати методом комп’ютерної томографії.

В сучасних томографічних установках вказується вертикальне положення площини, яка знаходиться у фокусі. Простий метод контролю точності вертикальної установки ґрунтується на одержанні зображення тест – об’єкта. Тест – об’єкт складається із набору свинцевих літер у вигляді чисел від 1 до 10, які запресовані в циліндр з плексигласу. Числа розміщуються по колу на різній глибині з кроком 1мм по висоті. Томографічний зріз виставляється на 0,5см вище нижньої площини циліндра. При правильному настроюванні по глибині в цьому випадку найбільш чітко буде видно число 5, в той час як решта чисел повинні поступово втрачати різкість. При скануванні ( пошаровому одержанні зображення органа) ще необхідно контролювати спів падання рухомої трубки і касети. Це можна здійснити шляхом одержання зображення точкової дірки діаметром 1мм в свинцевій пластинці, яка установлюється на висоті томографічного зрізу. Рентгенівське випромінювання використовується також для лікувальних цілей. Біологічна дія його полягає в тому, що клітини мало диференційовані і ті, що швидко розмножуються, найбільш чутливі до рентгенівського випромінювання. Через це рентгенотерапія використовується в онкології.

Деякі речовини, які складаються із елементів, близьких за атомним номером (повітря, вода, м’які тканини) мають майже однаковий істинний коефіцієнт поглинання для різних довжин хвиль. Це використовується при дозиметрії рентгенівського випромінювання, так як дає можливість, вимірюючи безпосередньо енергію випромінювання, яка поглинається в повітрі, визначити енергію цього ж випромінювання, яке поглинається в тканинах організму.